1、浅析多波束测深系统安装误差校正研究摘 要：本文基于笔者多年从事海洋测绘的相关工作经验，以广州港出海航道竣工验收测量为例，介绍了 SONIC 2024 嵌入式宽带超高分辨率多波束测深系统，整个测深系统中的 DGPS、水声换能器、光纤陀螺（罗经）设备仪器安装时，所产生的 GPS 时间延迟、横摇、纵摇、艏摇系统误差进行分析，采用一定的校正方法来减少误差，以提高水深测量的精度，测定出系统安装时偏差数值，提供内业数据处理时加以改正，并针对实际工作得出结论和提出有关的建议。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。 关键词：多波束测深系统 安装误差 航道
2、测量 校正 1.SONIC 2024 多波束测深系统简介 SON IC 2 024 嵌入式宽带超高分辨率多波束测深仪代表了当前世界最先进的水下声学技术。SONIC2024/2022 是世界上第一台真正的宽带高分辨率浅水多波束测深仪，测深范围 2 到 500 米。主要特点： （1）高分辨率：0.5超窄波束角，聚焦算法，实现超高分辨率。 （2）宽覆盖宽度：160超宽覆盖能力，超高工作效率，节省时间，降低测绘成本。 （3）采用嵌入式处理器，工作时宽带可变频 200400kHz 间频率实时在线可选。 （4）覆盖宽度 0160之间，覆盖宽度实时在线可调。 （5）条带扇区实时在线旋转（SSR）功能，可实现
3、水底以及垂直面的高质量测量。 （6）结构紧凑，无庞大主机，可以当作随身行李携带，方便简洁。2024 多波束系统组成：Qinsy 数据采集主机、2024 处理单元（SIM 盒） 、水下换能器声纳发射和接收单元（2024 探头） 、OCTANS 光纤罗经、Trimble GPS（SPS351） 、剖面声速仪（HY1200） 、显示器（220VAC） 。 2.多波束测深系统设备安装 2. 1 项目概况 测区位于南海珠江口，航道南北走向，人工疏浚航道，东侧为香港、深圳、东莞市，西侧属珠海、中山、番禺三市，是大型船舶进出广州港及附近各市港口的深水航道。测量范围如下图 1 所示。 为了更好的完成广州港出海
4、航道水域维护测量工作，因此对测量的各方面工作都提出了更高的要求，测量水深的精确度也要求更高。 2.2 安装误差来源 整个测深系统安装时，测深误差主要产生于 GPS 定位延时，换能器横摇、纵摇、艏摇偏差等，为了消除这些系统误差，安装一次就要校正一次，以保证测量结果的客观性。 2.3DGPS 位置 DGPS 天线安装应确保接收面向上（天空） ，且上方无金属物遮挡，屏蔽。安装时远离如船上旗杆，电视天线，信息系统 AIS、雷达，空调机等电子设备或其电器，安装位置不恰当都会引起的 GPS 接收故障。 2.4 水声换能器位置 对换能器影响最大是来自各种噪音与振动。因为噪音与振动将降低采集数据质量和测深精度
5、。因此安装位置非常重要，换能器安装位置应该远离来自各种噪音发生体，如测量船发动机、螺旋桨、尾流等。船体噪音引起振动、声纳杆固定不好、声纳杆材料不好、声纳杆太小、声纳杆底端离最后一个支撑点太远、甲板和舱壁挠曲都会影响。 安装时并要求减震安装稳固，使其工作时无抖动出现；同时做好换能器的防腐，防漏电工作；并要求考虑测量时，探头不应安装在易被渔网、障碍物和船只碰撞的地方，建议最好安装在船底。安装好后，应检查测船的前后左右及换能器的吃水值，在调好船的平衡后，须由二人分别测量换能器的吃水，相互差值不应大于 0.1 米，取平均值作为最后结果；并测定船从静止到最大航速间不同速度时的下沉量（即动态吃水） 。现场
6、测量作业人员和船舶上有关人员多沟通，保证测量前把船舶调试到平稳状态以减少人为误差。 2.5 光陀螺仪纤（罗经）位置 光纤陀螺仪主要是反映出船舶在航行测量中的瞬时姿态信息，航向，纵横向倾角和船舶回转角等。从实际工作中总结出，罗经要求安装在船的中轴线（船首尾线）上，与探头的连线垂直于中轴线，其读数零点应指向船首。才能准确反映测船或多波束换能器姿态的位置姿态（运动） ，其方向线平行于船的首尾线，并靠近船的旋转中心（或船的重心）上，并与水声换能器在同一横轴上。 2.6 仪器归心改正 当所有仪器安装完毕后，因为不是在同一平面上，应建立船体坐标系，把各种偏移进行改正。作业前应测出定位天线、SONIC 20
7、24 探头（换能器）与光纤陀螺罗经的相对关系，以在内业数据处理的船配置文件里用。在实验操作中，为解决此问题，在多波束安装时，利用钢尺精确量取天线到换能器的各种偏心距离，以换能器为参考点（RP） ，左手坐标系，船首为+Y，把各种偏心距离输入到调查船配置文件（VCF）中，内业数据时处理时自动进行归心改正，如图 2 所示。 3.系统校正作业实施 3. 1 校正位置选择 按照相关的工程测量规范要求，根据广州港出海航道的海况、水深、天气、潮汐、和测量作业的特点等多方因素考虑，标定地址选择（马友石礁石，经纬度：221635.7169“N，1134814.8306“E）如图 1，马友石礁石标定地址选择主要考
8、虑因素有： （1）周围水深 16 米多水深，马友石（礁石）突出水深 7.4 米，地形特症符合相关测量规范标定要求。 （2）马友石礁石位于广州港出海航道测区而且位于出海航道中间段，所以在同一测区能减少海水密度、温度、声束等的影响。 （3）实际工作中经验，维护中航道海底有很多的浮泥，测量时发射出的声波回波时会有很多的假信号，影响标定的精度，而马友石（礁石）附近是自然水深，反射回波清晰精度较高。 3.2 标正测线的布设 本次测量测深线布设根据测区水深减去探头吃水的 3 倍距离进行的，即 1040 米间距；测量实施是通过定位导航系统引导测量船沿着计划测深线航行并同时实施定位、测深及数据采集。标正测线两
9、边都适当延长，让光陀螺仪纤与测量船舶充分平稳下来。 3. 3GPS（定位）时间延迟校正（Latency） 通常由定位系统产生，作为整个系统的一部分这个校正是必要的。校正需要沿航线航行两条航迹线，以相同的方向并且海底有明显可见的特征。两次航行的速度差异越大，时间误差确定的就越好。误差通过比较两个剖面、找到最小误差而确定。 校正方法：在斜坡或特症物地形上布置一条测线，在该测线上以同样方向航行两次，一次的船速是另一次的两倍的测线数据作校准。 3.4 横摇校正（Roll） 横摇通常由换能器横向安装偏差引起。确定横摇偏差使用相同的航迹线，平坦的海底。横摇偏差在两个剖面之间、交叉于航迹线的方向显现了一个角
10、度。 校正方法：在一块比较平坦海底布置一条测线，在该测线上以相反的方向，相同速度航行两次，重合测线数据作校准。 3.5 纵摇校正（Pitch） 纵摇偏差，沿船艏方向的纵向安装偏差产生的测量误差。 校正方法：在一块明显特征海底布置一条测线，在该测线上以相反的方向，相同速度航行两次，重合测线数据作校准，Pitch 校正的分辨率应达到 0.1。 3.6 艏摇校正（Yaw） 艏摇安装偏差是与船中心线不平行产生的一个水平方向上的微小的偏角。Yaw 误差引起边缘波束水深点的位置误差。要航行两个航迹线，其间隔要保障边缘波束有足够的重叠。比较重叠部分的两个剖面，确定偏差值。 校正方法：在突出平坦海底如水深落差
11、较大航道边坡、海底礁石等，布置两条测线，测线之间的波束有 50% 的覆盖率，在该测线上以相反或者相同的方向，相同速度航行两次，重合测线数据作校准。 3.7 多波束测深系统校正结果 校准位置（马友石） ，测量船（海巡 1760 船）校准结果：定位时延（Latency）=0.00s、横摇偏差（Roll Offset）=1.05、纵摇偏差（Pich Offset）=0.100、船向偏差（Gyro Offset）=0.21。 按照规范进行系统标定测试，单波束测量成果与标定成果互相比对，标定结果表明，系统稳定，多波束与单波束重合点水深最大互差为 0.2米，符合精度要求。将偏移数据应用到内业数据处理中，以
12、提高对广州港出海航道水域维护测量扫海测量的精度。 4.结论与建议 在实际工作中，为了保证测量到的高精确的数据，和减少各方面带来的影响，总结得出： （1）对测量环境要求较高，安装时必须要求减震安装稳固。 （2）施测时间，每天的潮水都分高、底、平潮时段因此就会产生潮差，为了减少潮差的影响，一般选择在（高或底）平潮时段进行。 （3）测区海况：比较思想的海况是海风小4 级，浪高2 米，能见度大于 5 公里。 （4）对人员要求：测量人员必须经过相关多波束测深培训并通过测试合格，和从事多波束测量工作 1 年以上的经验，至少做过相关多波束测量项目 2 个以上。船舶人员：由于测量时间在（高或底）平潮时段进行，
13、时间很短，所以对驾驶测量船舶人员，要求反应快、驾驶测量船舶一年以上。 （5）海上风浪变化莫测，要求测量人员必须得有强大的抗风浪能力，除了以上的要求外，为计划能够顺利进行，做好船舶人员和测量人员各方面沟通协调工作也很重要。 参考文献： 1刘经南，赵建虎.多波束测深系统的现状和发展趋势J.海洋测绘，2002， （5）：36. 2国家质量技术监督局.海道测量规范S.北京，中国标准出版社，1999. 3Reson Inc SONIC 2024 操作手册Z.1998. 4李家彪.多波束勘测原理技术与方法M.北京：海军出版社，1999. 5周庆冲.水深测量若干误差的改正方法J.航测技术，2001. 6王闰成.多波束测深系统安装校准J.海洋技术.
